Microbiota depletion ameliorates sickle cell induced vaso-occlusive crisis and organ damage

项目摘要：报告摘要：报告 -- 作为美国最常见的遗传性血液病之一，美国约有7万至10万人患有这种疾病。 镰刀状红细胞性贫血。镰刀状红细胞性贫血是由β--珠蛋白基因突变导致的，这可能会导致癌症。 红细胞(RBC)膜的显著变形促进了RBC对其他细胞的黏附作用，从而诱导了细胞的死亡。 血管闭塞性血管危象(VOC)。慢性镰状细胞性贫血伴发进行性系统性红斑狼疮。 全身性器官和功能障碍的住院费用每年超过4.75亿美元。我们的实验室项目已经完成。 据报道，镰状细胞诱导的缺氧、抗氧化剂和炎症性应激反应是由老化的中性粒细胞持续存在的。 在人源化的SCD小鼠中，这与VOC基因的缺失呈正相关。我们最近的研究工作也证明了这一缺失。 在使用抗生素的SCD小鼠中，大多数微生物区系受到限制，导致中性粒细胞的扩张受到限制，因此减少了。 VOC的严重程度，减轻了器官损害，减轻了铁超载。此外，羟基尿素是唯一符合FDA的标准。 批准的治疗SCD的药物，它可以促进胎儿血红蛋白的表达，也具有一定的抗病作用。 炎症、抗自由基活性、蛋白质和金属螯合活性在哺乳动物细胞中都存在，在细菌中也是如此。 在这次申请中，我们将提出一个新的三年试点计划，这将进一步促进我们对新技术的基本功能的理解。 微生物群在SCD疾病进展过程中的作用将进一步检验对这些微生物群的操纵是否会提供一个新的解决方案。 SCD可能是一种新的治疗方法。在具体的治疗目标1中，我们将无法识别可能导致疾病改变的微生物群和物种。 导致中性粒细胞老化和SCD器官损害的因素。16s DNA测序数据进一步揭示了微生物区系的差异。 在抗生素治疗和未治疗的SCD小鼠之间，我们将在未来几年内对选定的微生物群的功能进行进一步的验证。 无菌的SCD小鼠。在特定的目标2中，我们将不会研究羟基尿素是否通过它来减少挥发性有机化合物和器官损害。 微生物区系控制在SCD小鼠中进行，其中粪便样本来自羟基尿素处理过的小鼠，而SCD小鼠则为对照。 将被移植到无菌的SCD细菌，以进一步评估羟基尿素是否会导致微生物区系发生变化。 为其进一步的治疗活动做出贡献。在具体的目标3中，我们将继续研究是否限制铁的摄入(通过DFO或低铁饮食)。 益生菌诱导的铁代谢的改变可以改善SCD小鼠的慢性器官损害。 微生物区系的变化将由无菌的SCD小鼠进行进一步的验证。在这些拟议的研究中，重点放在了研究的策略上。 在SCD中，微生物区系的操纵将使我们能够更好地识别可能对SCD做出贡献的关键微生物物种。 病理生理学、生物学和生物学为儿童终身疾病的管理提供了一种潜在的、新颖的、高性价比的方法。 并发症。

Project Summary:       As  the  most  common  inherited  blood  disorder  in  the  United  State,  there  are  70,000-­100,000  Americans  with  sickle  cell  anemia.  Sickle  cell  disease  (SCD)  is  caused  by  a  mutation  in  the  β-­globin  gene,  which  leads  to  significant  deformation  red  blood  cell  (RBC)  membrane  and  promotes  RBC  adhesion  to  other  cells  to  induce  vaso-­occlusive  crises  (VOC).  Chronic  sickle  cell  anemia  is  accompanied  with  progressive  systemic  multi-­ systemic  organ  dysfunction  and  cost  over  $475  million  annually  in  hospital  admission.  Our  laboratory  has  reported  that  sickle  cell-­induced  hypoxic,  oxidant,  and  inflammatory  stress  is  perpetuated  by  aged  neutrophils  which positively correlates with VOC in humanized SCD mice. Our recent work has demonstrated that deletion  of the microbiota in SCD mice by antibiotics restricted aged neutrophil expansion which consequently decreased  VOC severity, and reduced organ damage as well as the iron overload. In addition, hydroxyurea, the only FDA-­ approved  drug  for  SCD  that  promotes  the  anti-­sickling  fetal  hemoglobin  expression,  also  possesses  anti-­ inflammatory, antiradical, and metal-­chelating activities both in mammalian cells as well as in bacteria.   In this application, we propose a 3-­year experimental plan that will advance our understanding in the function of  microbiota  in  SCD  disease  progression  and  will  test  whether  manipulation  of  the  microbiota  will  provide  a  potential novel SCD treatment. In Specific Aim 1, we will identify disease-­modifying microbiota species that may  contribute to neutrophil aging and SCD organ damage. 16S sequencing data has revealed microbiota differences  between antibiotic treatment and untreated SCD mice, and the function of selected microbiota will be verified in  germ-­free SCD mice. In Specific Aim 2, we will examine if hydroxyurea reduces VOC and organ damage through  microbiota manipulations in SCD mice in which fecal samples from hydroxyurea-­treated and control SCD mice  will  be  transplant  to  germ-­free  SCD  to  evaluate  whether  hydroxyurea-­induced  changes  in  the  microbiota  contribute to its therapeutic activity. In Specific Aim 3, we will study if iron restriction (by DFO or low-­iron diet) or  probiotics-­induced changes in iron metabolism can ameliorate chronic organ damage in SCD mice. Iron-­related  changes in microbiota will be verified by germ-­free SCD mice. These proposed studies, focused on strategies of  microbiota  manipulation  in  SCD,  will  allow  us  to  identify  the  key  microbial  species  that  contribute  to  SCD  pathophysiology,  and  provide  potential  novel  cost-­effective  approaches  for  management  of  SCD’s  life-­long  complications.